一种新型的固体氧化物电池电堆及其堆芯堆叠方法

本发明涉及固体氧化物电池，尤其涉及一种新型的固体氧化物电池电堆及其堆芯堆叠方法。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(sofc)是一种不经过燃烧可直接把燃料的化学能转化为电能的高效能量转化装置。通常由阳极、电解质、阴极构成一个完整的电池反应单元，每个这样的重复单元之间通过连接体连接，就构成了一个燃料电池的单电池结构。而为了供给足够的电能，sofc通常由多个单电池组装成电堆使用。金属连接体的设计是整个电堆的设计核心，是单电池相互串联的导电体，同时也分隔着相邻电池阴极氧化气氛和阳极还原气氛。固体氧化物电解池(soec)则是sofc的逆反应，可以将风能、太阳能等不稳定且冗余的新型能源转化为有价值的化学品以及存储在其中的化学能。sofc和soec可以是单独的系统，也可以将二者嵌入到一个系统中，称为固体氧化物电池(soc)，在电网需要电能时向电网供电，在电网电力过剩时，则可以将电能储存起来。

2、soc电堆的结构主要分为平板式结构和管式结构两种，其中管式结构发展较早，单电池一端封闭，一端开口，单电池通过阴阳极连接形成电池堆，但电流路径较远、功率密度较低且空间利用率和体积功率密度低。相比于管式soc，平板式soc大大缩短了电量运输的途径。

3、目前商业化的平板式soc电堆中，通常利用铁素体不锈钢作为金属连接体，连接板将燃料电池单电池串联起来，并构成互相密闭隔离的阳极与阴极气路。电堆中的某一片电池与其相邻的电池之间，使用一个金属连接体进行电流连接并分隔气氛。这种设计思路中，一个连接体通常被设计为上下两个电池同时使用，相当于每个电池使用这个连接体的“一半”。连接体部件作为电流传输体以及气流分配体，其功能不同但结构尺寸可以统一，这种设计方式的最大优势在于连接体使用少，减少了一定的成本。然而在这种设计中，电堆的组装变得麻烦，电堆的模块化设计的“最后一公里”并没有解决。电堆的组装是由许多工序依次进行，由于金属连接体被上下两片电池同时共用，因此电堆的组装必须是“电池-密封-金属连接体”这个大致工序的不断重复。如果其中某一个步骤发生失误，或者失误没有及时发现，那么这个已经装配的电堆的二次利用以及及时维护都变得异常困难。而任何一个地方出现错误或者误差，这种错误和误差将被整个电堆堆芯所继承，一定程度上也增加了后续使用的维护成本。可见，传统的上下电池共用连接体的思路并没有实现最优的模块化设计。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种新型的固体氧化物电池电堆及其堆芯堆叠方法。

2、本发明的一种新型的固体氧化物电池电堆，包括由若干个重复单元堆叠而成的堆芯；所述重复单元包括自下而上依次组装的下连接体、单电池、密封层和上连接体，所述密封层将下连接体、单电池和上连接体密封，所述下连接体设置在所述单电池燃料电极一侧，所述下连接体的上表面具有燃料电极气体流道，所述上连接体设置在所述单电池空气电极一侧，所述上连接体的下表面具有空气电极气体流道，一个重复单元的下连接体的下表面与位于其下方的重复单元的上连接体的上表面直接叠放接触或之间采用导电粉末材料作为接触层。

3、进一步的，所述密封层与所述上连接体、所述单电池电解质表面和所述下连接体之间都采用面接触的方式密封。

4、进一步的，所述固体氧化物电池电堆还包括设置在所述堆芯顶部的顶盖，设置在所述堆芯底部的支撑板，以及设置在所述堆芯四侧的夹紧组件，所述顶盖和支撑板通过螺栓固定连接。

5、进一步的，所述夹紧组件包括两个第一夹紧件和两个第二夹紧件，所述第一夹紧件和第二夹紧件分别设置所述堆芯的前后左右四侧，两个第一夹紧件和两个第二夹紧件通过绑带固定。

6、进一步的，所述上连接体和下连接体均采用热膨胀系数与单电池热膨胀系数接近的金属材料。

7、一种新型的固体氧化物电池电堆的堆芯堆叠方法，先自下而上依次将下连接体、单电池、密封层、上连接体组装为重复单元，再将所有所述重复单元依次堆叠构成堆芯。

8、本发明提出一种新型的堆芯堆叠方法，对堆叠方式进行革新，并对这种堆叠方式所需要的金属连接体部件进行设计及优化，得到可行的一种连接体设计方案以及全新的高度模块化的电堆堆叠方案。

9、本发明提供了一种新型的固体氧化物燃料电池电堆，为每一个电池的两侧分别配备一个完整独立的不与其他电池共用的金属连接体，三者加上中间的密封件组合成为一个完整单元，不断叠加这个单元，可以构建不同输出功率的电堆。与现有的电池电堆堆堆芯叠方式相比：第一，单电池电堆单元主要分为上连接体、密封层、单电池、下连接体并进行连接，使得电堆模块化程度更高，从而可根据实际需求来装配电堆；第二，将现有电堆堆叠技术中的多连续重复工序的组装过程进行了拆解，形成了围绕单电池组装的成熟工艺核心；第三，电堆堆叠模块单元化，在电堆的后续维护以及二次利用方面更有优势，不会造成现有电堆堆叠过程中某一处产生错误和误差将被整个电堆堆芯所继承的问题，解决了电堆模块化设计的“最后一公里”问题；第四，本发明提供的电池电堆能够更加适应大规模组装，进一步降低了生产成本以及电堆维护和回收利用难度。

技术特征：

1.一种新型的固体氧化物电池电堆，其特征在于，包括由若干个重复单元(10)堆叠而成的堆芯(1)；所述重复单元(10)包括自下而上依次组装的下连接体(101)、单电池(102)、密封层(103)和上连接体(104)，所述密封层(103)将下连接体(101)、单电池(102)和上连接体(104)密封，所述下连接体(101)设置在所述单电池燃料电极一侧，所述下连接体(101)的上表面具有燃料电极气体流道，所述上连接体(104)设置在所述单电池空气电极一侧，所述上连接体(104)的下表面具有空气电极气体流道，一个重复单元(10)的下连接体(101)的下表面与位于其下方的重复单元(10)的上连接体(104)的上表面直接叠放接触或之间采用导电粉末材料作为接触层。

2.如权利要求1所述的一种新型的固体氧化物电池电堆，其特征在于，所述密封层(103)与所述上连接体(104)、所述单电池(102)电解质表面和所述下连接体(101)之间都采用面接触的方式密封。

3.如权利要求1所述的一种新型的固体氧化物电池电堆，其特征在于，所述固体氧化物电池电堆还包括设置在所述堆芯(1)顶部的顶盖(2)，设置在所述堆芯(1)底部的支撑板(3)，以及设置在所述堆芯(1)四侧的夹紧组件(4)，所述顶盖(2)和支撑板(3)通过螺栓固定连接。

4.如权利要求3所述的一种新型的固体氧化物电池电堆，其特征在于，所述夹紧组件(4)包括两个第一夹紧件(40)和两个第二夹紧件(41)，所述第一夹紧件(40)和第二夹紧件(41)分别设置所述堆芯(1)的前后左右四侧，两个第一夹紧件(40)和两个第二夹紧件(41)通过绑带固定。

5.如权利要求1所述的一种新型的固体氧化物电池电堆，其特征在于，所述上连接体(104)和下连接体(101)均采用热膨胀系数与单电池(102)热膨胀系数接近的金属材料。

6.如权利要求1-5任一项所述的新型的固体氧化物电池电堆的堆芯堆叠方法，其特征在于：先自下而上依次将下连接体(101)、单电池(102)、密封层(103)、上连接体(104)组装为重复单元(10)，再将所有所述重复单元(10)依次堆叠构成堆芯(1)。

技术总结
本发明公开了新型的固体氧化物电池电堆及其堆芯堆叠方法。电堆包括由若干个重复单元堆叠而成的堆芯；重复单元包括下连接体、单电池、密封层和上连接体，下连接体设置在单电池燃料电极一侧，下连接体的上表面具有燃料电极气体流道，上连接体设置在单电池空气电极一侧，上连接体的下表面具有空气电极气体流道，一个重复单元的下连接体的下表面与位于其下方的重复单元的上连接体的上表面直接叠放接触或之间采用导电粉末材料作为接触层。本发明为每一个电池的两侧分别配备一个完整独立的不与其他电池共用的金属连接体，并对堆芯堆叠方式进行革新，并对这种堆叠方式所需要的金属连接体部件进行设计及优化，得到高度模块化的电堆堆叠方案。

技术研发人员：段男奇,兰婉颍,曾勇,张文颖
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12